CN105610343B - 抑制h桥级联逆变器漏电流的调制方法 - Google Patents

抑制h桥级联逆变器漏电流的调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法。该调制方法能够保持使所有模块寄生电容电压之和恒定，从而消除漏电流。所述方法包括：将所有模块按照规则两两组成一个模组，并分为工频模组和高频模组两种；工频模组的开关状态由调制波与固定值比较得到；高频模组的开关状态由修正后的调制波与两个层叠三角载波比较得到；由开关状态组合生成相应的PWM信号，并分配到对应管脚。该方案可用于多H桥级联逆变器，不需要增加额外的硬件成本，能够消除流入电网的漏电流，同时开关损耗较低，实现方式简单。

Description

抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法
技术领域
本发明涉及一种单相H桥级联逆变器的调制方法，尤其是能够抑制非隔离型H桥级联并网光伏逆变器漏电流的调制方法；其适用于光伏并网发电领域。
背景技术
为保证使用安全，VDE 4105标准对光伏(Photovoltaic，PV)并网系统共模电流(漏电流)有严格限制。采用网侧工频隔离变压器可实现PV和电网的电气隔离、抑制漏电流，但是，工频变压器体积大、重量重、成本高、系统效率低。若采用高频变压器实现PV和电网的电气隔离，可降低系统体积、重量和成本，但功率变换被分成数级，且系统效率并没有明显改善。而并网逆变器的变换效率与光伏发电系统的发电效率密切相关。因此，效率高、体积小、重量轻和成本低的非隔离光伏并网逆变器有明显优势。但省去变压器使得光伏电池板和电网之间有了电气连接，可能会使漏电流大幅增加，并带来传导和辐射干扰，增加并网电流谐波以及损耗，甚至危及设备和人员安全。故抑制非隔离光伏并网逆变器的漏电流成为了研究热点之一。
目前已有非隔离型单相光伏并网逆变器成功应用于商业途径，如SMA公司的SunnyMini Central系列光伏逆变器。但这些结构都是基于单H桥的改进型拓扑，主要适用于小功率场合。而下一代光伏逆变器需要达到更高的功率等级和效率，因此多电平逆变器成为了主要研究对象。级联H桥多电平逆变器具有模块化易拓展、成本低及输出电压质量高的特点，并且其直流侧可由光伏电池板独立供电，使其独立最大功率点跟踪(MPPT)控制成为可能，因而级联H桥结构成为了最具前景的光伏逆变器结构。同时，级联H桥并网光伏逆变器的漏电流也成为了其应用中的一个重要问题。
目前关于级联H桥并网光伏逆变器的漏电流抑制已有一些成果，如题为“Analysisand suppression of leakage current in cascaded-multilevel-inverter based PVsystems,”Y.Zhou and H.Li,《IEEE Trans.Power Electron.》,2014，29(10)，5265–5277(“级联多电平光伏逆变器漏电流分析与抑制”，《IEEE学报-电力电子期刊》，2014年第29卷第10期5265–5277页)的文章；该文提出两种漏电流硬件抑制方案，是在直流侧和交流侧分别采用不同的无源滤波器，但该方案存在以下不足：
1)无源滤波器主要由电感及电容组成，应用在电路中会大大增加逆变器的体积、重量及成本，同时降低逆变器的电能转换效率；
2)漏电流谐波范围较广，且受环境因素影响，使滤波器参数设计过程较为复杂；
3)级联H桥逆变器实际工作频率较低，其漏电流的主要谐波频率也较低，导致滤波器的漏电流抑制效果并不理想。
题为“Hybrid Multicarrier Modulation to Reduce Leakage Current in aTransformerless Cascaded Multilevel Inverter for Photovoltaic Systems”，Rajasekar Selvamuthukumaran,Abhishek Garg,and Rajesh Gupta，《IEEE Transactionson Power Electron》，2015，30(4)，1779-1783(“减小非隔离型光伏逆变器漏电流的混合调制策略”，《IEEE学报-电力电子期刊》，2015年第30卷第4期1779-1783页)的文章；该文提出了一种基于两个载波实现的两H桥级联逆变器的调制策略，该方法的不足如下：
1)该调制方法不能抑制流入电网的漏电流，无法改善并网电流质量；
2)该方法使用了两个同相的层叠载波，但每隔半个工频周期载波需要移相180°,这无疑增加了硬件实现难度。
3)该调制方法只适用于两模块级联逆变器，不具有通用性。
由此可见，现有技术并不能在不增加额外成本及不影响并网电流质量下，较好的解决桥级联H桥逆变器的漏电流问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中存在的问题，提出一种不需要额外的硬件，能够消除流入电网的漏电流，并抑制单模块漏电流，且实现方式简单易行的抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法。
为了完成本发明的目的，本发明提出了一种抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法，包括电平合成方式；本调制方法的主要步骤如下：
步骤1，设H桥级联逆变器由n个H桥模块组成，每个H桥模块直流电压相同，并记为Vdc，将每个H桥模块的开关状态由开关函数Sai和Sbi表示，
其中，
n＝2k，k为大于1的整数；
Sai为模块i中桥臂a的开关函数，Sbi为模块i中桥臂b的开关函数，且满足：
步骤2，根据步骤1所述的H桥级联逆变器，将模块i与模块(n-i+1)组成模组i，定义模组1至模组(k-1)为工频模组，模组n/2为高频模组；同时模组i的开关状态由一组开关函数(Sai，Sbi，Sa(n-i+1)，Sb(n-i+1))表示；
步骤3，根据步骤2的模块分组方法，工频模组只输出-2Vdc、0和2Vdc三种电平；高频模组输出-2Vdc、-Vdc、0、Vdc和2Vdc五种电平；
步骤4，根据步骤3所述的各模组工作方式，为使逆变器输出(2n+1)种电平，工频模组的开关组合方式如下：
对于工频模组i，如果-2*i≤(n*Vref)≤2*i时，工频模组i输出零电平；如果(n*Vref)>2*i时，工频模组i输出2Vdc；如果(n*Vref)<-2*i时，工频模组i输出-2Vdc；
同时如果-2≤(n*Vref)≤2时，则Vr＝n*Vref；如果2*i<(n*Vref)≤(2*i+2)(i＝1、2…k-1)时，则Vr＝(n*Vref-2i)；如果(-2*i-2)≤(n*Vref)<(-2*i)(i＝1、2…k-1)时，则Vr＝(n*Vref+2i+2)；
其中，Vref为原始调制波，并满足-1≤Vref≤1；Vr为修正后的调制波；
步骤5，根据步骤3所述的各模组工作方式，为使逆变器输出(2n+1)种电平，高频模组的开关组合方式如下：
如果0≤Vr<Vc1且Vref≥0时，高频模组输出零电平；
如果Vc1≤Vr<Vc2且Vref≥0时，高频模组输出Vdc；
如果Vr≥Vc2且Vref≥0时，高频模组输出2Vdc；
如果Vr≥Vc2且Vref<0时，高频模组输出零电平；
如果Vc1≤Vr<Vc2且Vref<0时，高频模组输出-Vdc；
如果Vr<Vc1且Vref<0时，高频模组输出-2Vdc；
其中，Vc1、Vc2为两个层叠载波三角载波，且2≥Vc2≥1≥Vc1≥0；
优选地，步骤3中所述工频模组的工作方式为：
由开关状态1010产生2Vdc电平，开关状态0101产生-2Vdc电平,在调制波正半周期由开关状态1100产生0电平，而在调制波负半周期由开关状态0011产生0电平。
优选地，步骤3中所述高频模组的工作方式为：
由开关状态1010产生2Vdc电平，开关状态1000或1110产生Vdc电平，开关状态1100或0011产生0电平，开关状态0001或0111产生-Vdc电平，开关状态0101产生-2Vdc电平。
优选地，步骤5中所述高频模组的开关组合方式为按照开关动作次数最少的要求选择开关状态以输出所需电平。
优选地，步骤5中所述层叠三角载波为两个同相位的层叠三角载波。
优选地，步骤5中所述层叠三角载波为两个反相位的层叠三角载波。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1、不需要额外的硬件，不会增加逆变器的体积、重量和成本，同时不会降低逆变器的电能转换效率。
2、能够消除流入电网的漏电流，改善电网电流质量；同时能够抑制单模块漏电流，降低系统损耗及电磁干扰。
3、工频模组工作频率较低，减少了逆变器的开关损耗。
4、适用于任意偶数个H桥级联逆变器。
附图说明
图1是单相H桥级联光伏并网逆变器原理图。
图2是模块分组方式示意图。
图3是工频模组工作原理图。
图4是高频模组采用同相载波的工作原理图。
图5是高频模组采用反相载波的工作原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细地说明。
本发明公开的抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法应用于单相非隔离H桥级联光伏并网系统，系统原理图如图1所示。图1中，每个模块均为H桥结构，含有两个输出p桥臂，其中桥臂a连接到上一级模块或与电感L1连接，桥臂b连接到下一级模块或与电感L2连接。所有模块的交流侧串联输出，经两个滤波电感L1和L2连接到电网Eg。每个模块直流侧由光伏电池板供电，直流电压为Vdc。Cpvi是模块i的光伏板寄生电容。
每个模块的开关状态由开关函数Sai和Sbi表示，其中，
Sai为模块i中桥臂a的开关函数，Sbi为模块i中桥臂b的开关函数，且满足：
对于图1所示单相H桥级联光伏并网逆变器，本发明公开的抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法的基本步骤如下：
参见图1、图2、图3、图4和图5。
步骤1，设H桥级联逆变器由n个H桥模块组成，每个H桥模块直流电压相同，并记为Vdc，将每个H桥模块的开关状态由开关函数Sai和Sbi表示，
其中，
n＝2k，k为大于1的整数；
Sai为模块i中桥臂a的开关函数，Sbi为模块i中桥臂b的开关函数，且满足：
步骤2，根据步骤1所述的H桥级联逆变器，将模块i与模块(n-i+1)组成模组i，定义模组1至模组(k-1)为工频模组，模组n/2为高频模组；同时模组i的开关状态由一组开关函数(Sai，Sbi，Sa(n-i+1)，Sb(n-i+1))表示；
步骤3，根据步骤2的模块分组方法，工频模组只输出-2Vdc、0和2Vdc三种电平；高频模组输出-2Vdc、-Vdc、0、Vdc和2Vdc五种电平；
所述工频模组的工作方式为：由开关状态1010产生2Vdc电平，开关状态0101产生-2Vdc电平,在调制波正半周期由开关状态1100产生0电平，而在调制波负半周期由开关状态0011产生0电平。
所述高频模组的工作方式为：由开关状态1010产生2Vdc电平，开关状态1000或1110产生Vdc电平，开关状态1100或0011产生0电平，开关状态0001或0111产生-Vdc电平，开关状态0101产生-2Vdc电平。
步骤4，根据步骤3所述的各模组工作方式，为使逆变器输出(2n+1)种电平，工频模组的开关组合方式如下：
对于工频模组i，如果-2*i≤(n*Vref)≤2*i时，工频模组i输出零电平；如果(n*Vref)>2*i时，工频模组i输出2Vdc；如果(n*Vref)<-2*i时，工频模组i输出-2Vdc；
同时如果-2≤(n*Vref)≤2时，则Vr＝n*Vref；如果2*i<(n*Vref)≤(2*i+2)(i＝1、2…k-1)时，则Vr＝(n*Vref-2i)；如果(-2*i-2)≤(n*Vref)<(-2*i)(i＝1、2…k-1)时，则Vr＝(n*Vref+2i+2)；
其中，Vref为原始调制波，并满足-1≤Vref≤1；Vr为修正后的调制波；
步骤5，根据步骤3所述的各模组工作方式，为使逆变器输出(2n+1)种电平，高频模组的开关组合方式如下：
如果0≤Vr<Vc1且Vref≥0时，高频模组输出零电平；
如果Vc1≤Vr<Vc2且Vref≥0时，高频模组输出Vdc；
如果Vr≥Vc2且Vref≥0时，高频模组输出2Vdc；
如果Vr≥Vc2且Vref<0时，高频模组输出零电平；
如果Vc1≤Vr<Vc2且Vref<0时，高频模组输出-Vdc；
如果Vr<Vc1且Vref<0时，高频模组输出-2Vdc；
其中，Vc1、Vc2为两个层叠载波三角载波，且2≥Vc2≥1≥Vc1≥0。
所述高频模组的开关组合方式为按照开关动作次数最少的要求选择开关状态以输出所需电平。
所述层叠三角载波为两个同相位的层叠三角载波或者为两个反相位的层叠三角载波。
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细地说明。
实施例1
步骤1，由4(k＝2)个H桥模块组成的级联H桥逆变器，每个模块直流电压相同，并记为Vdc，将每个模块的开关状态由开关函数Sai和Sbi表示，
其中，Sai为模块i中桥臂a的开关函数，Sbi为模块i中桥臂b的开关函数，且满足：
步骤2，根据步骤1所述的4模块级联逆变器，将模块i与模块(5-i)组成模组i，定义模组1为工频模组，模组2为高频模组；同时模组i的开关状态由一组开关函数(SaiSbiSa(5-i)Sb(5-i))表示；
步骤3，根据步骤2的模块分组方法，工频模组只输出-2Vdc、0和2Vdc三种电平，具体工作方式为由开关状态1010产生2Vdc电平，开关状态0101产生-2Vdc电平,在调制波正半周期由开关状态1100产生0电平，而在调制波负半周期由开关状态0011产生0电平；高频模组输出-2Vdc、-Vdc、0、Vdc和2Vdc五种电平，具体工作方式为由开关状态1010产生2Vdc电平，开关状态1000或1110产生Vdc电平，开关状态1100或0011产生0电平，开关状态0001或0111产生-Vdc电平，开关状态0101产生-2Vdc电平；
步骤4，根据步骤3所述的各模组工作方式，为使逆变器输出9种电平，工频模组的开关组合方式如下：
对于工频模组i，如果-2*i≤(4*Vref)≤2*i时，工频模组i输出零电平；如果(4*Vref)>2*i时，工频模组i输出2Vdc；如果(4*Vref)<-2*i时，工频模组i输出-2Vdc；
同时如果-2≤(4*Vref)≤2时，则Vr＝4*Vref；如果2*i<(4*Vref)≤(2*i+2)(i＝1、2…k-1)时，则Vr＝(4*Vref-2i)；如果(-2*i-2)≤(4*Vref)<(-2*i)(i＝1、2…k-1)时，则Vr＝(4*Vref+2i+2)；
其中，Vref为原始调制波，并满足-1≤Vref≤1；Vr为修正后的调制波；
步骤5，根据步骤3所述的各模组工作方式，为使逆变器输出9电平，高频模组的开关组合方式如下：
如果0≤Vr<Vc1且Vref≥0时，高频模组输出零电平；
如果Vc1≤Vr<Vc2且Vref≥0时，高频模组输出Vdc；
如果Vr≥Vc2且Vref≥0时，高频模组输出2Vdc；
如果Vr≥Vc2且Vref<0时，高频模组输出零电平；
如果Vc1≤Vr<Vc2且Vref<0时，高频模组输出-Vdc；
如果Vr<Vc1且Vref<0时，高频模组输出-2Vdc；
同时按照开关动作次数最少的要求选择开关状态以输出所需电平；
其中，Vc1、Vc2为两个同相位层叠载波三角载波，且2≥Vc2≥1≥Vc1≥0；
本实施例的实现原理图如图1～4所示。
实施例2
本实施例中工频模组工作方式与实施例1相同，高频模组采用调制波与两个反相位的层叠三角载波比较，比较方式与实施例相同。本实施例高频模组的工作原理图如图5所示。
最后，根据得到的各模组的开关函数产生相应的驱动信号，按照逆变器的分配原则分配至相应的开关管。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法，包括电平合成方式，其特征在于，本调制方法的主要步骤如下：
步骤1，设H桥级联逆变器由n个H桥模块组成，每个H桥模块均含有两个输出桥臂，其中桥臂a连接到上一级模块或与电感L1连接，桥臂b连接到下一级模块或与电感L2连接；所有H桥模块的交流侧串联输出，经两个滤波电感L1和L2连接到电网Eg；每个H桥模块直流电压相同，并记为Vdc，将每个H桥模块的开关状态由开关函数Sai和Sbi表示；
其中，
n=2k，k为大于1的整数；
Sai为模块i中桥臂a的开关函数，Sbi为模块i中桥臂b的开关函数，且满足：
；
步骤2，根据步骤1所述的H桥级联逆变器，将模块i与模块（n-i+1）组成模组i，定义模组1至模组（k-1）为工频模组，模组n/2为高频模组；同时模组i的开关状态由一组开关函数(Sai，Sbi，Sa(n-i+1)，Sb(n-i+1))表示；
步骤3，根据步骤2的模块分组方法，工频模组只输出-2Vdc、0和2Vdc三种电平；高频模组输出-2Vdc、-Vdc、0、Vdc和2Vdc五种电平；
步骤4，根据步骤3的各模组工作方式，为使逆变器输出(2n+1)种电平，工频模组的开关组合方式如下：
对于工频模组i，如果-2*i≤(n*Vref)≤2*i时，工频模组i输出零电平；如果(n*Vref)>2*i时，工频模组i输出2Vdc; 如果(n*Vref)<-2*i时，工频模组i输出-2Vdc;
同时如果-2≤(n*Vref)≤2时，则Vr=n*Vref；如果2*i<(n*Vref)≤(2*i+2)(i=1、2…k-1)时，则Vr=（n*Vref-2i）；如果（-2*i-2）≤(n*Vref)<(-2*i)(i=1、2…k-1)时，则Vr=（n*Vref+2i+2）;
其中，Vref为原始调制波，并满足-1≤Vref≤1；Vr为修正后的调制波；
步骤5，根据步骤3的各模组工作方式，为使逆变器输出(2n+1)种电平，高频模组的开关组合方式如下：
如果0≤Vr<Vc1且Vref≥0时，高频模组输出零电平;
如果Vc1≤Vr<Vc2且Vref≥0时，高频模组输出Vdc;
如果Vr≥Vc2且Vref≥0时，高频模组输出2Vdc;
如果Vr≥Vc2且Vref<0时，高频模组输出零电平;
如果Vc1≤Vr<Vc2且Vref<0时，高频模组输出-Vdc;
如果Vr<Vc1且Vref<0时，高频模组输出-2Vdc;
其中，Vc1、Vc2为两个层叠载波三角载波，且2≥Vc2≥1≥Vc1≥0。
2.根据权利要求1所述的一种抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法，其特征在于，步骤3中所述工频模组的工作方式为：
由开关状态1010产生2Vdc电平，开关状态0101产生-2Vdc电平,在调制波正半周期由开关状态1100产生0电平，而在调制波负半周期由开关状态0011产生0电平。
3.根据权利要求1所述的一种抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法，其特征在于，步骤3中所述高频模组的工作方式为：
由开关状态1010产生2Vdc电平，开关状态1000或1110产生Vdc电平，开关状态1100或0011产生0电平，开关状态0001或0111产生-Vdc电平，开关状态0101产生-2Vdc电平。
4.根据权利要求1所述的一种抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法，其特征在于，步骤5中所述高频模组的开关组合方式为按照开关动作次数最少的要求选择开关状态以输出所需电平。
5.根据权利要求1所述的一种抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法，其特征在于，步骤5中所述层叠载波三角载波为两个同相位的层叠载波三角载波。
6.根据权利要求1所述的一种抑制H桥级联逆变器漏电流的调制方法，其特征在于，步骤5中所述层叠载波三角载波为两个反相位的层叠载波三角载波。
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